گسترش رقابت در زمینه سیستم های ذخیره سازی DNA

به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبربان؛ عده‌ای از کارشناسان معتقدند، ایجاد ابزار ذخیره‌سازی بر پایه DNA احتمالاً در حال تبدیل شدن به یک رقابت بسیار طولانی‌مدت و دشوار است. با توجه به رشد روزافزون داده‌ها به نظر می‌رسد در آینده نزدیک دیگر ابزارهای محاسباتی بر پایه‌ی سیلیکون پاسخگوی نیاز به فضای ذخیره‌سازی نباشد؛ در نتیجه پژوهشگران بسیاری در دولت‌ها، صنعت و دانشگاه‌های مختلف در تلاش هستند نمونه‌هایی بر پایه DNA به وجود آورند.

برای مثال بنیاد ملی علوم آمریکا هم‌اکنون 8 پروژه‌ی مختلف را در زمینه ذخیره‌سازی داده‌ها روی DNA راه‌اندازی کرده است. این مجموعه پروژه‌ها «SemiSynBio» نام دارند.

شرکت بین‌المللی داده (International Data Corporation)، در اواخر سال 2018، پیش‌بینی کرد حجم داده‌های موجود در جهان از 33 زتابایت در سال 2018، به 175 زتابایت در 2025 خواهد رسید. هر زتابایت برابر با 〖10〗^21 بایت است. پژوهشگران سیسکو برای درک بهتر این عدد بیان کردند اگر هر ترابایت داده را در زتابایت، معادل یک کیلومتر در نظر گرفته شود، معادل 1300 سفر رفت برگشت به ماه مسیر طی می‌شود.

اوشا وارشنی (Usha Varshney)، مدیر برنامه دستگاه‌های الکترونیکی ، فوتونیکی و مغناطیسی بنیاد ملی علوم گفت:

در سطح جهان یک انفجار داده‌ی عظیم در حال رخ دادن است.

داده‌ها تأثیر مستقیمی روی همه‌ی جنبه‌های اجتماعی زندگی مانند تولید، بهداشت و سلامت، شبکه‌ی برق و حمل‌ونقل می‌گذارد. از طرفی مقامات نظامی نیز شرح داده‌اند گستردگی داده‌ها به اندازه‌ای است که امکان ندارد بتواند همه‌ی آن را تحلیل و پردازش کنند.

فیل بارتولی (Filbert (Fil) Bartoli)، مدیر بخش الکترونیک، ارتباطات و سامانه‌های سایبری بنیاد ملی علوم ادامه داد:

همه جنبه‌های یاد شده تحت تأثیر داده‌ها، ابر دادها و تحلیل اطلاعات قرار می‌گیرند؛ در نتیجه دستیابی به فناوری‌های جدید که به شما اجازه می‌دهد اطلاعات به گونه‌ای متفاوت از گذشته بررسی و دست‌کاری کنید، تأثیر بسیاری روی قابلیت‌های جامعه در حال رشد می‌گذارد.

بارتولی توضیح می‌دهد که تحقیقات برای توسعه ابزارهای ذخیره‌سازی بر پایه DNA بخشی از یک چالش تحقیقاتی بسیار گسترده است. این مسئله ایجاد رابطی میان سامانه‌های بیولوژیکی و نیمه‌هادی‌های میکروالکترونیک است. ابزارهایی که در این حوزه ساخته می‌شوند، ممکن است بخشی از یک پروتز یا ایمپلنت باشند که به منظور بهبود سلامتی به کار می‌روند یا حتی در زیرساخت‌ها به کار گرفته می‌شوند.

وارشنی شرح داد:

یکی از دلایلی که DNA را به جایگزینی مناسب تبدیل می‌کند، ماندگاری دائمی آن است. برای مثال می‌توان از استخوان‌های اسبی که 700 هزار سال قبل مرده است، داده‌های DNA آن را استخراج کرد. همین مسئله به اساسی برای ایجاد رقابت در ساخت فناوری موردبحث تبدیل شده است.

از طرفی DNA می‌تواند حجم عظیمی از داده‌ها را در خود نگه دارد. برای مثال محققان تخمین می‌زنند که هر گرم از DNA قادر است 455 اگزابایت اطلاعات را در خود نگهداری کند. این موضوع نشان می‌دهد امکان ذخیره‌سازی همه‌ی داده‌هایی که تا پیش از سال 2015 تولید شده‌اند روی یک قاشق چای‌خوری وجود دارد. همچنین عده‌ای معتقدند در هر نوکلئوتید از DNA می‌توان بیش از 300 ترابایت داده ذخیره کرد. همچنین داده‌هایی که به این صورت ذخیره می‌شوند کاملاً امن و غیرقابل رمزگشایی هستند.

میترا باسو (Mitra Basu) مدیر برنامه اداره رایانه، علوم داده و مهندسی اظهار کرد:

ما به دنبال راهی می‌گردیم که داده‌ها را به صورت مؤثری ذخیره‌سازی کنیم. آینده‌ی ثبت اطلاعات در سیلیکون نیست.

باسو شرح داد 8 پروژه‌ای یاد شده در بالا با هدف ایجاد منبع ذخیره‌سازی بیولوژیکی آغاز شدند که توانایی حفظ داده‌ها برای بیش از 100 سال را داشته، از ظرفیتی یک هزار برابری نسبت به نمونه‌های امروزی برخوردار باشند.

وی توضیح داد:

بیشتر مردم احتمالاً متوجه نشده‌اند که DNA آن‌ها در واقع به صورت پیوسته اطلاعاتی را به صورت طبیعی و بیولوژیکی تولید می‌کند. به طور میانگین بدن یک انسان در هر روز 40 اگزابایت داده را تولید کرده و می نویسد و برای انجام این کار انرژی بسیار کمی مصرف می‌کند. این فرآیند هرروز و در حجمی بسیار زیاد رخ می‌دهد.

مدیر برنامه اداره رایانه، علوم داده و مهندسی گفت:

رشته‌های DNA با توجه به مسائل بسیاری مانند رژیم غذایی، محل و شیوه‌ی زندگی، به صورت پیوسته در حال تغییر هستند. در این فرآیند همواره اطلاعاتی تولید و بازنویسی می‌شوند و به همین دلیل است که ما گاهی مریض می‌شویم.

تعدادی از پروژه‌هایی که در قالب SemiSynBio انجام می‌شوند، طیف وسیعی از کاربردها را مانند خودکارسازی طراحی مدارهای ژنتیکی، ایجاد مدارهای بیوالکترویک و کشف روش‌های ارتباط مولکولی را شامل می‌شوند. هدف از این تحقیقات ترکیب سیلیکون و DNA به بهترین شیوه ممکن است.

وارشنی ادامه داد:

فناوری نیمه‌هادی در حال رسیدن به محدودیت خود است و هیچ نوآوری دیگری هم‌اکنون برای جایگزینی وجود ندارد. هدف ما ادغام هر دو زمینه یاد شده به منظور دستیابی سیستم‌های ذخیره‌سازی DNA و رفع محدودیت مذکور است. از طرفی به تازگی پیشرفت‌های قابل‌توجهی در زمینه زیست‌شناسی مصنوعی صورت گرفته است. در این نوآوری‌ها مولکول‌هایی با قابلیت حمل داده‌های دیجیتالی و ذخیره‌ی آن به وجود آمده‌اند. همچنین در صنعت نیمه‌هادی ابزارهایی برای یکپارچه‌سازی یاد شده در حال شکل‌گیری است.»

یکی از چالش‌هایی که محققان بنیاد ملی علوم باید برای آن پاسخ پیدا کند، نوع رابط میان DNA و سیلیکون است. به این معنی که یک داده ورودی چگونه به DNA وارد و از آن استخراج شود.

باسو توضیح داد، در حال حاضر مایکروسافت نیز روی ذخیره‌سازی داده‌ها در DNA سرمایه‌گذاری گسترده‌ای انجام داده است. این شرکت موفق شد به روشی برای نوشتن و خواندن داده‌ها روی DNA دست پیدا کند؛ اما این دستاورد بسیار گران‌قیمت است. برای مثال اگر فردی بخواهد یک حافظه ذخیره‌سازی 200 مگابایتی بر پایه DNA خریداری کند به 800 هزار دلار نیاز دارد؛ بنابراین هنوز نمی‌توان این دستاورد را تجاری‌سازی کرد.

با توجه به گزارش بنیاد ملی علوم، یکی از پروژه‌های جدید حوزه DNA که با هدف کاهش هزینه‌های ادغام دو سامانه‌ی فیزیکی و بیولوژیکی راه‌اندازی شده است، «سامانه ذخیره‌سازی نانو مقیاس روی تراشه با استفاده از DNA نوترکیب» (On-Chip Nanoscale Storage System Using Chimeric DNA) نام دارد. محققان این پروژه در تلاش هستند با محوریت DNA  نوترکیب، تعداد الفبای 4 حرفی یک رشته معمولی از DNA را به بیش از 20 نماد افزایش بدهند.

به این معنی که هر DNA از ترکیب تعداد بی‌شماری نوکلئوتید با نام‌های «A، T، G و C» به وجود می‌آید و پژوهشگران سعی دارند 16 نوکلئوتید دیگر را نیز به آن اضافه کنند که باعث می‌شود چگالی و حجم اطلاعات قابل ذخیره‌سازی به شدت افزایش پیدا کند.

همچنین محققان معتقدند از آنجایی که DNA از 4 نوکلئوتید تشکیل می‌شود، بر مبنای 4 عمل می‌کند که سرعتی بیشتر از رایانه‌های امروزی را در دسترس قرار می‌دهد؛ اما سرعت پردازش داده‌ها روی این بستر هم‌اکنون بسیار پایین است. باسو توضیح می‌دهد که در حال حاضر سرعت خواندن اطلاعات از روی DNA، تنها400 بایت در ثانیه است.

قرار دادن DNA روی قطعه سیلیکونی نیز با چالش‌های خاص خود همراه است. نمی‌توان یک مولکول DNA، به سادگی روی تراشه قرار داد؛ اما اگر این کار انجام شود، پایدار مانده و می‌توان اطلاعات را روی آن بازنویسی کرد یا خواند.

علاوه بر بنیاد ملی علوم، آزمایشگاه ملی سندیا نیز روی رمزنگاری متون روی DNA کار می‌کند. محققان توضیح می‌دهند، رمزنگاری در این بستر بسیار قدرتمند بوده و امکان شکستن قفل آن با فناوری‌های امروزی غیرممکن است.

دانشگاه واشنگتن و مایکروسافت نیز مدتی قبل اعلام کردند که اولین سامانه کاملاً خودمختار که توانایی خواندن و نوشتن اطلاعات روی DNA را دارند توسعه داده‌اند. به علاوه استارت‌آپی به نام «کاتالوگ» (Catalog)، در ژوئن 2019 اعلام کرد که 16 گیگابایت از اطلاعات ویکی‌پدیا را روی مولکول‌های DNA ذخیره کرده است. محققان دانشگاه براون نیز گزارش دادند که مولکول‌های DNA را به گونه‌ای دست‌کاری کرده‌اند که از صفر و یک سیستم‌های دیجیتالی تقلید کند تا امکان ذخیره‌سازی داده‌ها فراهم آید.

این انتظار وجود دارد که پیشرفت در زمینه سامانه‌های ذخیره‌سازی بر پایه DNA باعث شود، نوآوری مورد بحث ابتدا به منظور ذخیره‌سازی سوابق پزشکی مورد استفاده قرار گیرد. اطلاعاتی که باید برای مدت طولانی از آن‌ها نگه‌داری شود؛ اما نیاز به بازیابی مداوم ندارند. همچنین این نوآوری در زمینه درمان بیماری‌هایی مانند سرطان نیز کاربرد خواهد داشت. در مراحل بعد نیز ممکن است سخت‌افزارهایی بر پایه DNA ساخت شده و برای کاربردهای نظامی یا غیرنظامی به‌صورت گسترده در بازار توزیع بشوند.

محققان بنیاد ملی علوم معتقدند دستیابی به اهداف یادشده به زمان بسیار زیادی نیاز دارد. برای مثال تولید یک فلش بیولوژیکی بر پایه DNA احتمالاً بیش از 25 سال زمان نیاز است.